3D全息成像

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解二次方程，令S=0， 解得S在
S
M
m
利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号
• 3、关于体内神经元荧光染色成像的实验设置
用920nm波长的飞秒激光（170fs的脉冲） 零阶光束 检流计反射镜 光电倍增管 光场显微镜 slm调制 扫描透镜 管状透镜 光线扩束 管状透镜 发射滤光片 短传分色镜 物镜 普克尔盒
2006年丹麦公司ViZoo于研发的360度幻影成像是全息投影目前 最具魔幻效果的技术。
• （方法：用全息膜搭建一个倒金字塔形的三角漏斗几何模型，由四台投影 机投射的视频图像，在漏斗里经过一系列的光学衍射后汇合成为全息图像。 这一系统还可以配加触摸屏，现场观众可通过各种手势和动作，操纵3D产 品模型进行旋转，或部件分解。广泛用于各种展览会和发布会上的新型广 告载体，此外，该技术也用于博物馆，可再现一些珍贵的文物，防止失 窃。）
(2)把激光激发分成n等份，且通过物镜之后激发的焦点区域不变，n等份 的平均时间信号S表达为： 2 2
(3)选取n个激发点中的m个时，平均时间信号S表示为：
P P S n T T n n
2 2
Pm S n n
P t slm 2 T PT mm - t slm n n m
焦点立方体
利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号
4、通过实验确定视场的扩展和信号的增益，运用双光子显微镜对 活体神经元钙离子的三维成像 N
像素：N×N(N=256),SLM视场(2xmax×2ymax )：xmax=ymax = 4 NA 相机参数:NA=0.8,放大率:16×,波长λ=920nm,2xmax=140um,将9个slm视场用 检流计定位9次，实验测得视场增大至380um，扩大7.4倍。 在神经元钙离子成像实验中，把老鼠(清醒)头骨与感光板粘合固定，用 飞秒激光经过调制后激发在体神经元钙离子的荧光染料，最后被双光子显微 镜接收并记录荧光强度，再现神经元的活动状态，用不同颜色标注神经元活 动，
术的时代。到了90年代，人们开始用CCD等光敏电子元件代替传统的感光胶 片或新型光敏等介质记录全息图，用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈 现影像，使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。）
• 4、1969年，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明 亮的立体成像。（基本特征是，在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝，
物光波、参考光波光强 干涉项（振幅、相位）
数字全息 3D 显示原理框图
利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号
1、用检流计扫描扩展视场
在相干照明系统中，物方空间光强度分布：I(x,y)=|F{H(u,v)}|2 H(u,v)=A(u,v)expjφ(u,v),H(u,v)为物方光强复振幅分布。 在SLM的N×N个像素上进行0到2π的相位调制，SLM视场被像素数量限制。传 统的全息图照明系统的SLM的视场：光学视场包含相机视场，最后是空间光调 制器视场。用时分复位方 法，横向展开slm视场， 在不同时间照明不同区域, 在共轭光瞳平面的镜式检 流计按时间次序扫描slm 全息图横向拼贴的九个视 场。总的相位调制为SLM 与检流计相位调制之和。
全息技术的发展历程
数字全息术 全息术 计算机技术 实现数字全息图的记录和再现 光电成像技术 优点
缩短了再现周期（省去了定影、显影、漂白等化学湿处理过程） 计算机加入了数学处理方法：消除相差、噪声，避免了干板的非线性。 制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活，
百度文库
缺点
CCD像素远不及银盐干板的像素 CCD靶面有限（影响被记录物体的大小，再现像景深，像的清晰度。)
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利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号
• 为使平均信号S最大化，得出选n个激发点中子集数m与总曝光时间和slm转 换时间的关系。
Pm S n n
2
P t slm 2 T PT mm - t slm n n m
T mM 2t slm
处取最大值
2 2
利用菲涅尔衍射公式或傅里叶变 换获得光场复振幅分布，用计算 (2)计算机模拟再现 机显示强度分布和相位分布 jC ( x, y )
( x, y ) O( x, y ) R( x, y) O02 ( x, y) R02 ( x, y) 2O0 ( x, y) R0 ( x, y) cos(O R )
限制再现光波以降低像的色模糊，根据人眼水平排列的特性，牺牲垂直方 向物体信息，保留水平方向物体信息，从而降低对光源的要求。）
全息技术的发展历程
• 5、1994年第一张数字全息图诞生（U.Schnars和W.Juptner展示）。
• 6、2001年德国国家实验室首创研发了全息膜技术，使三维图像 的再现成为可能。 • 7、2003年首次成功应用于全息投影技术中。
数字全息三维成像
内容：
数字全息3D技术背景知识 数字全息3维物场再现原理 全息技术的应用前景
全息技术的发展历程
• 1、（全息技术最早于）1948年斯盖伯提出了波前重现。 • 2、1962年，美国雷斯和阿帕特尼克斯（在基本全息术的基础上，将 通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上，）发明了离轴全息技术。 • 3、1967年古德曼和劳伦斯提出了数字全息。（开创了精确全息技
利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号
如图为双光子信号与选取子集的实验 与理论数据，SLM的相位转换时间经实验 有97%是7.5ms，估计最大的转换时间是 10ms，保证普克尔盒疲敝光的时间， 荧光强度最大时，曝光时间T=100ms，实 验m值为7和5，而理论上在t(slm)为7.5ms 和10ms时，m值是6.7和5。对应不同的 slm转换时间。经理论与实验， slm转换时间变短， 信号增加更大。
利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号
• 总结： • 用时分复用方法横向扩展SLM视场，对应轴向扩展可结合可 调透镜和变形反射镜来延伸轴向视场。 • •
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通过激发点的子集选取来确定双光子信号最大值的各部分数 据（slm转换时间，子集数量，总曝光时间）。 神经元钙离子成像，其中飞秒激光对于荧光染料的激发以及 透过分色镜被光电倍增管放大信号从而观察到荧光强度反应神经 元活动。
• （经过7年的发展，全息膜已经从第一代的1英寸栅格状网眼全息单元升级 到了如今的第四代0.2毫米97%透光度全息膜。依靠这薄薄的透明膜，无论 是T形台上的流光溢彩，还是舞台上虚幻影像，都可实现。全息膜的价格自 然不菲，透光率为70%的全息膜市场价都达到1800-2200元/平米。）
全息技术的发展历程
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2008年，美国亚利桑那州大学打造了展现大脑的可更新的3D全 息显示屏。
• （这是世界上首批3D全息显示屏之一。最初的全息显示屏尺寸为4英寸乘4 英寸（约合10厘米乘10厘米）。）
全息技术的发展历程
日本广播公司（NHK）决心在2020年之前推出第一台Holo-TV。
• （现已拨款28亿英镑用于该项目。日本人相信他们能够向全世界提供全息 广播节目，并将这项服务作为申办2022年世界杯举办权的一个重要砝码。 Holo-TV播放的每一场比赛画面将由200台高清晰摄像机360度拍摄，而后以 3D影像的方式播放。麦克风将被安装在球场下方，用于记录下所有声音， 其中包括球员踢球的声音以及裁判的哨声，用来创造超现实版的数字音 效。） • （据索尼工程师透露，Holo-TV外形好似在地板上摊开的一本大书。激光器 负责投射一个“图像云”，好似飘浮在房间中央。观众可以在不佩戴3D眼 镜情况下从每一个角度欣赏立体影像。）
参考光波 (1) 再现照明光波
物体再现像 发生衍射
干涉(光强度信息)
CCD采集量化
计算机存储为 数值矩阵
数字全息图
O( x, y) O0 ( x, y) expjO ( x, y ) 参考光波： R( x, y) R ( x, y) exp jR ( x, y ) 0
物光波： 再现照明光波： C( x, y) C0 ( x, y) exp 总光强： I
u, v SLM u, v 检流 u, v; Δx, Δy 检流扫描反射镜与 SLM共轭，实现横向位移（ Δx,Δy)
利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号
2、依次照明SLM视场来增大双光子信号（时分复用方法）
(1)在双光子激发过程中，信号速率取决于S取决于激光平均功率P的平方， T为总的曝光时间。 S P 2T
数字全息系统三维物场的再现原理
传统光学全息（同轴）：
同轴全息图的记录
同轴全息图的再现
数字全息系统三维物场的再现原理
• 传统光学全息（离轴）：离轴全息图不仅可以消除同轴全息图中共轭像的干扰,还能使成 像光波不与零级衍射光波重叠。
离轴全息图的记录
离轴全息图的再现
数字全息系统三维物场的再现原理
激光 物体 物光波前衍射波